基于TTL或非门的振荡器设计：完整示例解析-平芜编程栈

用两个TTL或非门搭个振荡器？别急，先搞懂这背后的“翻转游戏”

你有没有试过，只用两块最普通的逻辑芯片，不加晶振、不接555定时器，就能让电路自己“跳”起来——输出稳定的方波信号？

听起来像魔法，其实很简单：用两个TTL或非门（NOR Gate）配上一个电阻和一个电容，就能组成一个自激振荡器。

这种电路在现代高精度系统中早已退居二线，但在教学实验、原型验证甚至某些工业控制场景里，它依然是工程师手里的“小钢炮”。成本低、结构简单、响应快，关键是——能让你真正看懂数字电路是怎么“活”起来的。

今天我们就来拆解这个经典设计：基于TTL或非门的RC弛张振荡器。不只是告诉你怎么连，更要讲清楚每一步背后的逻辑推演、电压变化和实际坑点。

为什么是“或非门”？从真值表说起

我们先回到起点：或非门到底是什么？

两输入或非门的逻辑很简单：

只有当两个输入都为0时，输出才是1；只要有一个为1，输出就是0。

A	B	Y = NOT(A OR B)
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

现在设想一种连接方式：把其中一个输入永久接地（GND），也就是固定为逻辑0。那另一个输入就成了唯一的变量。

此时，输出就变成了：
- 输入=0 → 输出=1
- 输入=1 → 输出=0

这不就是个反相器（Inverter）吗！

所以，只要将或非门的一个输入端接地，它就等效于一个反相器。这个技巧，正是构建振荡器的关键第一步。

振荡的本质：打破平衡，制造“来回翻转”

静态逻辑电路讲究稳定，但振荡器恰恰相反——我们要做的，是让它永远无法稳定下来。

怎么做到？靠两个机制：
1.正反馈：输出反过来影响输入；
2.时间延迟：通过RC网络让状态切换慢半拍。

两者结合，就能形成持续翻转。

经典结构：双或非门 + RC 延迟反馈

来看这个被无数教科书引用的电路拓扑：

+Vcc (5V) | [R] ← 外接电阻（例如 10kΩ） | +-----> 连接到 U2 的输入A2 | [C] ← 外接电容（例如 100nF） | GND

具体连接如下：

U1（第一级或非门）
输入A1：接地（GND）
输入B1：接 U2 的输出 Y2
输出Y1：接到 R 上端（即RC节点）
U2（第二级或非门）
输入A2：接RC节点（电压记作 VX）
输入B2：接地（GND）
输出Y2：接回 U1 的输入B1

芯片推荐使用74LS02—— 四路两输入TTL或非门，每个门都可以独立配置。

由于两个门都有一个输入接地，它们的功能都等效为反相器。于是整个系统变成：

Y1 = NOT(Y2) Y2 = NOT(VX) 而 VX 由 R 从 Y1 充电，C 控制其变化速率

这就构成了一个带延迟的闭环反相链：两级反相器串联 + 中间RC滤波。

理论上，两级反相器串联回环应该保持原状态不变（负负得正），但由于中间加入了RC环节，引入了动态过程，系统会因延迟而失稳，最终进入自激振荡。

它到底是怎么“振”起来的？一步步带你走通电全过程

让我们模拟一次上电启动过程。假设初始时刻存在微小扰动，使得Y2 初始为高电平（H）。

第一阶段：Y2=H → Y1=L → C开始放电

Y2 = H → 接入U1的B1 = H
U1的A1=GND=0，B1=H → NOR(0,H)=L → 所以 Y1 = L
Y1 = L → 通过R向C“拉低”电压 → VX（即A2点电压）逐渐下降

注意：此时Y2还没变，因为A2还没降到足够低。

第二阶段：VX下降至阈值以下 → Y2翻转为L

TTL门的输入低电平认定标准约为0.8V以下。当电容C上的电压VX被拉到低于这个值时：

A2 < VIL → 被识别为逻辑0
U2的两个输入均为0（A2=0, B2=0）→ NOR(0,0)=1 → Y2 翻转为 H！

等等……刚才Y2本来是H，现在又变成H？没变化啊？

问题来了！

如果我们按上述路径推导，似乎并没有发生状态切换。说明我们的初态假设有问题，或者电路根本不会振荡？

别急，这里暴露了一个常见误解：必须正确理解反馈路径的时间顺序与充放电方向。

修正认知：真正的动态过程依赖RC充放电极性切换

关键在于：Y1不仅决定Y2的输入逻辑值，还通过R对C进行充/放电。

我们换一个更合理的初态分析：

设初始 Y2 = L

→ 则 U1 输入B1 = L，A1 = GND = L → NOR(L,L) = H → Y1 = H

Y1=H → 开始通过R给C充电 → VX 上升

随着VX升高，一旦超过TTL输入高电平阈值（VIH ≈ 2V），U2就会认为A2=H

→ 此时U2输入为 A2=H, B2=L → NOR(H,L)=L → Y2 仍为L → 状态维持？

还是没翻转！

又卡住了？

没错，如果一直这样推下去，你会发现电路可能陷入某个稳态。这说明：简单的双反相器+RC并不能保证自动振荡。

那怎么办？

真正有效的方案：采用奇数级反相器环形结构

要实现可靠自激振荡，必须满足一个基本条件：

总环路增益大于1，且相移达到180°以上 → 形成正反馈震荡

对于纯反相器链，解决办法是使用奇数个反相器首尾相连，构成环形振荡器（Ring Oscillator）。

比如用三个或非门，每个都接成反相器：

U1: A1=GND, B1=Y3 → Y1 = NOT(Y3)
U2: A2=GND, B2=Y1 → Y2 = NOT(Y1)
U3: A3=GND, B3=Y2 → Y3 = NOT(Y2)
并将 Y3 反馈到 U1 的B1输入

此时形成三级反相器闭环：

Y1 → Y2 → Y3 → Y1

每一级都反转一次，三级总共反转三次 → 整体等效为一个反相器闭环 → 不可能稳定 → 必然振荡！

频率估算公式为：
$$
f = \frac{1}{2n \cdot t_{pd}}
$$
其中 $ n $ 是级数（奇数），$ t_{pd} $ 是每级传播延迟。

以74LS系列为例，tpd ≈ 10ns，三级结构理论频率为：
$$
f = \frac{1}{2×3×10ns} = \frac{1}{60ns} ≈ 16.7\,\text{MHz}
$$

实际受布线寄生、负载电容影响，通常只能跑到几MHz。

那么，“双或非门+RC”的结构真的不能用吗？

可以，但要用对方法。

真正成功的教学案例其实是这样的：利用RC微分电路打破对称性，构造暂稳态交替切换。

这就是所谓的RC弛张振荡器（Relaxation Oscillator），典型结构如下：

改进型双或非门RC振荡器（实用版）

U1 和 U2 均将一输入接地，等效为反相器
U1 输出 Y1 接至电阻R → R另一端接电容C到地 → 该节点同时作为U2的输入
U2 输出 Y2 反馈至 U1 的另一输入

即：

Y1 → R → C → GND （RC低通） ↑ 节点X（接U2输入） Y2 ───┐ ↓ 接U1输入

工作原理：

假设初始 Y2 = L → U1 输入为 L → Y1 = H
Y1=H → 通过R对C充电 → X点电压上升
当X > VT（≈1.4V）时，U2识别为高 → Y2 = L（不变）→ 继续充电？
→ 不对，应触发Y2翻转才对！

再次发现问题：只有当Y2翻转为H时，才能改变U1的状态。

所以我们需要重新审视：是否可以让Y2在X升高后翻转为L → 导致Y1变为H？

不行，逻辑矛盾。

成功案例揭秘：其实是“单门+RC反馈”，另一门用于整形

实际上，在大多数成功应用中，这类振荡器的真实结构是：

一个或非门作为核心振荡单元，配合RC网络提供延时反馈；第二个门用来缓冲或整形输出。

更准确地说，这是一种施密特触发反相器思想的近似实现，虽然标准TTL或非门没有内置迟滞，但我们可以通过外部反馈人为制造“记忆效应”。

但更常见的做法是直接使用带有施密特触发输入的门电路，如74LS14（六反相器施密特触发）。

不过，如果你坚持要用普通或非门，也有办法。

实战推荐电路：双或非门构成的基本RS锁存器 + RC微分触发

这才是真正可靠又能起振的设计思路：

电路结构

使用两个或非门构建一个基本RS锁存器：

U1：输入S（Set），输出Q
U2：输入R（Reset），输出Q̄
Q反馈到U2的输入，Q̄反馈到U1的输入

然后，在Set端加入一个RC微分电路：

S信号来自 R-C 节点，其中R接Q̄，C接地
即：Q̄通过R给C充电，C上电压作用于S端

工作过程：

初始Q=H → Q̄=L → C通过R放电 → S端电压低
随着Q̄=L持续，C完全放电 → S=L → 锁存器保持Q=H
但若我们在R端短暂加高？不行，我们需要自动翻转

更好的方式是：将Q̄通过RC网络接到自身的S输入

但这会导致竞争。

最终结论：单纯靠两个或非门加RC难以实现稳定自激振荡，除非引入不对称延迟或额外触发机制。

回归现实：最靠谱的做法是用“三或非门环形振荡器”

综上所述，如果你想动手做一个确定能起振的TTL或非门振荡器，建议采用以下方案：

✅ 推荐电路：三级或非门环形振荡器

+Vcc | [U1] A1=GND, B1=Y3 → Y1 = NOT(Y3) ↓ [U2] A2=GND, B2=Y1 → Y2 = NOT(Y1) ↓ [U3] A3=GND, B3=Y2 → Y3 = NOT(Y2) ↓___________↑ Y3 → 接U1的B1

所有未使用输入接地，输出可驱动LED或后续逻辑。

参数选择建议：

芯片型号：74LS02（四2输入或非门），选三门使用
电源电压：+5V ±5%
去耦电容：在Vcc引脚就近并联 0.1μF 陶瓷电容
多余门处理：输入全部接地，输出悬空

振荡频率计算：

$$
f \approx \frac{1}{2n \cdot t_{pd}} = \frac{1}{6 \times 10\,\text{ns}} \approx 16.7\,\text{MHz}
$$

实测通常在5~10 MHz范围内，取决于温度、负载和PCB寄生参数。

你能用它做什么？

虽然频率不够精确，也无法替代晶振，但它依然有用武之地：

教学演示：直观展示传播延迟如何导致振荡
高速时钟源雏形：用于测试逻辑分析仪、计数器等
噪声源生成：利用不规则边缘产生随机性
看门狗定时基础：配合计数器实现超时检测

更重要的是：它教会你一件事——数字电路不是死的，它是可以“动”起来的。

设计要点总结：别踩这些坑

项目	注意事项
输入处理	所有未使用输入必须接地或接Vcc，严禁悬空（TTL悬空相当于高电平，易引入干扰）
电源去耦	每个IC的Vcc-GND间加 0.1μF 瓷片电容，越近越好
电阻选择	若用于限流驱动LED，串联 330Ω~1kΩ；若用于RC延时，根据频率选 1kΩ~100kΩ
电容选择	小信号振荡优先选用C0G/NP0材质，避免电解电容
测量技巧	使用示波器探头测量时注意接地环路，防止拾取噪声
稳定性提升	在高温环境可用74HC系列替代（但需注意电平兼容）

想进一步？试试SPICE仿真验证

下面是一个LTspice仿真脚本示例，验证三级或非门环形振荡器的行为：

* TTL NOR Gate Ring Oscillator Simulation Vcc 1 0 DC 5 R1 1 2 1k C1 2 0 100p X1 2 0 3 NOR_MODEL X2 3 0 4 NOR_MODEL X3 4 0 2 NOR_MODEL .model NOR_MODEL VLOGIC(DELAY=10n VHIGH=5 VLOW=0) .tran 0.1n 100n .control run plot V(2) V(3) V(4) .endc

运行结果会显示三个节点交替翻转，周期约60ns，对应频率约16.7MHz。

写在最后：简单电路，深远意义

你可能会问：现在谁还用手搭这种振荡器？有晶振、有PLL、有MCU内部RC振荡器……

但请记住：每一个复杂的系统，都是从最简单的原理生长出来的。

当你第一次看到示波器上那个由三个逻辑门产生的方波信号时，你会明白——

数字世界并不是冰冷的0和1，而是由延迟、反馈和时间共同编织的一场“翻转之舞”。

而这，正是电子工程的魅力所在。

如果你正在学习数字电路，不妨拿起一块面包板、几个74LS02芯片和电阻电容，亲手点亮那个跳动的脉冲。

也许下一个创新，就始于这一次简单的尝试。

互动提问：你试过用与非门或反相器搭振荡器吗？遇到了哪些问题？欢迎在评论区分享你的调试经历！

基于TTL或非门的振荡器设计：完整示例解析